Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Но гораздо интересней то, что кремний применяют в изготовлении полупроводниковых приборов, в том числе солнечных батарей, получения сплавов, восстановлении металлов из оксидов.

Основой для изготовления микросхем служат кристаллы химически чистого кремния. Получение таких кристаллов – весьма сложный технологический процесс. На поверхности полупроводника можно формировать различные структуры. Если в локальные участки кристалла чистого кремния вводить небольшое количество примесей какого-либо пятивалентного вещества, например мышьяка или сурьмы, можно получить участки полупроводника n-типа, в котором проводимость возникает за счет наличия свободных электронов. Если же в другие участки вводить примеси трехвалентного вещества, например индия, то можно получить участки полупроводника p-типа, где проводимость обеспечивается за счет так называемых «дырок» — нехватки электрона в связях кристаллической решетки. Кроме этого, на поверхность кристалла можно наносить изолирующие слои, и слои металла. Если располагать эти элементы в определенном порядке, можно получать различные электронные компоненты с заданными электрическими свойствами.

Транзисторы

Транзистор – основной электронный компонент.

В частности, на поверхности кремниевого кристалла можно сформировать транзистор – основной электронный компонент всей полупроводниковой электроники. Существует множество разновидностей транзисторов, обладающих различными свойствами. Однако в цифровой электронике на сегодняшний день чаще всего используются так называемые МОП-транзисторы. Сокращение «МОП» означает комбинацию основных составляющих материалов транзисторов – Металл-Оксид-Полупроводник.

Два основных типа транзисторов

Если в полупроводнике n-типа с отрицательными носителями заряда имеются две области p-типа с положительными носителями заряда, то проводимостью между этими областями можно управлять при помощи изолированного электрода. Если на этом электроде создать отрицательный заряд, то за счет электростатической индукции в полупроводнике возникает область повышенной концентрации положительных  зарядов, обеспечивающая проводимость между областями p-типа. Такой транзистор называется p-канальным и открыт тогда, когда на управляющем электроде присутствует отрицательный по отношению к подложке потенциал.

Если же  изменить сочетание проводимости областей транзистора, т.е. в полупроводнике p-типа c положительными носителями зарядов создать области n-типа с отрицательными носителями, то проводимость появится при наличии на изолированном электроде положительного заряда. Такой транзистор называется n-канальным, и открывается тогда, когда на управляющем электроде присутствует положительный по отношению к подложке потенциал.

P-канальные и N-канальные транзисторы являются как бы зеркальным отражением друг друга. Пару таких транзисторов, соединенных последовательно называют, комплементарной парой. А к названию технологии, использующей такие пары транзисторов добавилась буква «К» — КМОП.

Чтобы не мучить собственные мозги, представляя, что такое электроны, дырки, проводимость и тому подобное, проще представлять себе транзистор по аналогии с водопроводным вентилем. Но только таким вентилем, который закрывается не вручную, а под давлением воды. Сделать такой вентиль можно очень просто, например так, как показано на рисунке. Заслонка, перекрывающая основную трубу, прикреплена к подвижному подпружиненному поршню, который находится внутри изолированного бокового цилиндра. Под давлением воды в боковом цилиндре поршень вместе с заслонкой может перемещаться, соответственно закрывая или открывая основную трубу. Тогда вентиль, изображенный выше, будет перекрывать поток воды в основной трубе, когда слева, по управляющей трубке в него попадет вода под давлением. Вентиль, изображенный ниже, под действием давления в управляющей трубке наоборот откроется. Два таких вентиля будут представлять собой комплементарную пару вентилей. Чтобы в дальнейшем было проще себе представить, как работает та или иная схема, можно мысленно заменять в ней транзисторы на вот такие водопроводные вентили.

Инвертор.

Пара комплементарных МОП-транзисторов, соединенных последовательно и имеющая общий вход представляет собой простейший логический элемент – инвертор.

Если на входе такой схемы напряжение близко к 0, то нижний транзистор будет закрыт, поскольку этого напряжения окажется недостаточно для формирования проводящего канала. Зато откроется верхний, у которого по отношению к подложке на управляющем электроде окажется максимальное напряжение. Тогда на выходе напряжение станет близко к напряжению питания. И наоборот, если напряжение на входе станет близким к напряжению питания, верхний транзистор закроется, но откроется нижний, и напряжение на выходе станет минимальным. Если напряжение близкое к нулю считать за логический ноль, а близкое к напряжению питания – за логическую единицу, то эта схема будет выполнять логическую функцию «не».

Основное соглашение цифровой электроники.

Для того, чтобы обсуждать логические функции различных элементов необходимо договориться о некоторых соглашениях.

Во-первых, необходимо решить, что следует считать нулем, а что – единицей. Чаще всего используется соглашение, когда за логический ноль принимается напряжение менее 1/10 напряжения питания, а за логическую единицу – более половины напряжения питания. Для элементов, изготовленных по разным технологиям, значения напряжений могут быть разными и для их совместного использования могут потребоваться специальные согласующие элементы. Соглашение, при котором за логический ноль принимается низкое напряжение, а за логическую единицу – высокое, называется соглашением положительной логики. Можно поступить и наоборот. За логическую единицу принять низкое напряжение, за логический ноль – высокое. Это называется соглашением отрицательной логики. Мы будем пользоваться положительным соглашением.

Во-вторых, при изменении логических значений на входе элемента, состояние его выхода меняется не мгновенно. Требуется время для переключения транзисторов, перезарядки емкостей и других процессов. По прошествии какого-то времени эти процессы завершаются, и выход элемента приобретает устойчивое состояние. Это состояние соответствует логической функции элемента. Во время между изменением входного сигнала данного элемента и завершением переходных процессов в элементе, состояние его выхода непредсказуемо. Это время называют максимальным временем задержки данного элемента. При прохождении сигнала последовательно через несколько логических элементов, времена задержки складываются. Состояние выхода схемы можно считать достоверным только по прошествии времени, равного сумме максимальных задержек последовательно включенных элементов схемы, от момента изменения входного сигнала.

Чем заменить кремний?

Конечно же речь идет не о том, что запасы кремния на Земле иссякают. В коре нашей железокаменной планеты кремний не кончится, его всегда хватит на изготовление стекла, стройматериалов и других продуктов крупнотоннажной химии. Лишь в одной всем известной области замену кремнию активно ищут — рано или поздно интегральные кремниевые микросхемы и процессоры не смогут обеспечить достаточную скорость вычисления. Попробуем заглянуть в будущее и предположить, в честь какого элемента назовут аналог Кремниевой долины во второй половине XXI века.

На наноразмерном уровне микросхемы из кремния теряют эффективность, они перегреваются, и начинается утечка электрического тока. Почему же электронная промышленность не видит для себя другого материала, кроме кремния, хотя и понимает, что дальнейшее уменьшение размеров кремниевой электроники вскоре станет невозможным?

Дело не в том, что кремний — самый распространенный элемент земной коры. У него есть уникальное свойство, и как раз из-за этого свойства вся электроника попала в зависимость от единственного химического элемента, да так, что никаких альтернатив долго не изучали и не предлагали. Один из ключевых параметров материала для изготовления транзистора — ширина запрещенной энергетической зоны. Этот параметр определяет электропроводность материала и, по сути, равен минимальной энергии, которую необходимо затратить для перехода электрона в зону проводимости. Для полупроводников эта величина обычно составляет от нескольких сотых до нескольких электронвольт, а для диэлектриков — свыше 6 эВ. Для транзистора ширина запрещенной зоны просто показывает, сколько энергии необходимо, чтобы включить его. Слишком большая ширина запрещенной зоны означает, что для включения транзистора потребуется слишком много энергии, слишком маленькая зона тоже нехороша — легкий переход электронов в проводящее состояние приведет к тому, что транзистор будет «течь» и не сможет обеспечивать стабильный ток. Несомненно, сильная сторона кремния — его умеренность, для него ширина запрещенной энергетической зоны ни мала, ни велика — 1,1 эВ. Это и делает кремний идеальным полупроводником.

Одно время «спасителем» закона Мура считали графен, но он им так и не стал, поскольку не является полупроводником. Ширина запрещенной энергетической зоны графена равна нулю, а это значит, что он фактически идеальный проводник и из него, так же как из металлов, невозможно делать транзисторы — ими не получится управлять, переключая в различные состояния. Конечно, нашлись способы превращения графена в полупроводник: ленты графена шириной 10 нанометров ведут себя похоже на полупроводники, кроме того, от графена можно добиться полупроводимости, частично восстанавливая его водородом и получая комбинацию графен-графан. Хотя графен не оправдал ожиданий как материал для микроэлектроники, свою миссию он все же выполнил. Исследователи, научившись работать с графеном, сегодня проводят кастинг на роль полупроводников — дублеров кремния среди других ультратонких псевдодвумерных материалов.

Дихалькогениды переходных металлов — это класс двумерных материалов, которые интенсивно исследуют как возможных преемников кремния в микроэлектронике. Самый известный и наиболее изученный представитель — дисульфид молибдена MoS₂. Дихалькогениды переходных металлов интересны тем, что обеспечивают устойчивый ток в транзисторе, когда нужно, и прекращают пропускать ток, когда затвор запирает движение электронов по каналу транзистора. Причем для них параметр «вкл/выкл» (соотношение значений силы тока в открытом и закрытом канале транзистора при постоянной разности потенциала между электродами стока и истока) на порядки выше, чем у кремния.

Из дисульфида молибдена можно делать транзисторы меньше кремниевых

Все эти «плоские» дихалькогениды, в том числе и дисульфид молибдена, устроены одинаково: три слоя атомов, где верхний и нижний слой — халькогены (сера, селен или теллур), а между ними слой из атомов переходного металла.

Ширина запрещенной энергетической зоны дисульфида молибдена — около 1,8 эВ. Хотя 2D-MoS₂ не такой тонкий, как графен, он весьма перспективен для миниатюризации электроники.

Материалы, способные заменить кремний, существуют, более того — полупроводниковые параметры некоторых из них лучше, чем у кремния. Некоторые материалы, традиционные для микроэлектроники, уже заменяются новыми. Главный вопрос, который стоит перед микроэлектроникой, в том числе и перед микроэлектроникой двумерных материалов: сможет ли их теоретическое и практическое исследование выдержать гонку на опережение с законом Мура? Успеем ли мы получить работающие транзисторы и интегральные схемы из новых материалов до того, как придем к физическому пределу размеров транзисторов из кремния? Ответ на этот вопрос мы узнаем очень скоро. Но будем оптимистами — прогресс микроэлектроники уже не раз удивлял нас за несколько последних десятилетий, наверняка удивит и снова.